基于Simulink的UWB超宽带Rake接收机仿真系统

资 源 简 介

本程序在MATLAB Simulink环境下设计并实现了一套完整的超宽带（UWB）通信系统仿真链路，专门用于评估Rake接收机在复杂室内多径环境下的性能。系统信源部分生成符合超宽带特性的极窄脉冲信号，以模拟超宽带通信的高时间分辨率特性。信道环境采用了IEEE 802.15.3a标准定义的专用信道模型（CM1-CM4），该模型能够精确复现室内环境下密集的多径衰落、簇效应以及对数正态阴影衰落。 作为接收端的核心，Rake接收机通过多个并行分支（Fingers）捕捉具有不同时间延迟的多径分量能量，采用最大比合并

详 情 说 明

基于IEEE 802.15.3a标准的UWB-Rake接收机仿真系统

项目介绍

本仿真系统旨在模拟超宽带（UWB）信号在复杂室内多径环境下的传输过程，并重点评估Rake接收机对抗多径衰落的性能。系统严格遵循IEEE 802.15.3a标准，实现了从信源产生、脉冲调制、信道模拟到分支增益合并接收的完整物理层链路。通过该系统，用户可以定量分析不同信道模型（CM1-CM4）以及Rake接收机分支数量对系统误码率（BER）的影响。

功能特性

超宽带脉冲生成：系统采用二阶高斯单周期脉冲作为载波，模拟极窄脉冲的时间特性，使其具备高时间分辨率。

标准通信信道实现：内置了完整的IEEE 802.15.3a修正Saleh-Valenzuela（S-V）模型，能够生成包含簇（Cluster）效应和射线（Ray）效应的多径冲激响应，涵盖了从视距（LOS）到极端非视距（Extreme NLOS）的四种典型场景。

Rake接收机架构：实现了基于最大比合并（MRC）准则的Rake接收机，能够自动搜索并捕获信道中最强的多个径分量，实现多径能量的有效聚合。

自动化性能评估：支持自动化蒙特卡罗仿真，自动遍历指定的信噪比（Eb/N0）范围，统计误码率并生成可视化的性能曲线图。

多维度结果展示：系统提供信道冲激响应图、多径能量分布图以及误码率性能曲线，方便用户直观理解物理层传输特性。

系统运行逻辑

1. 初始参数配置：系统首先定义采样频率（1GHz）、仿真比特数、信噪比范围以及Rake接收机的分支（Fingers）数量。

1. 脉冲信号设计：构建二阶高斯脉冲函数，并进行幅度归一化处理。该脉冲的时间跨度通常在纳秒级别，反映了UWB系统的宽带特性。

1. 信道冲激响应生成：依据选择的CM1-CM4模型参数，利用指数分布随机生成簇到达时间和射线到达时间，并结合对数正态衰落和极性翻转特性计算各路径增益，最终量化到采样间隔。

1. 信号调制与发送：将随机生成的原始比特流进行BPSK调制。为了避免符号间干扰（ISI），每个比特被放置在足够长的时间间隔内，并与生成的脉冲序列进行卷积形成发送信号。

1. 传输与噪声注入：发送信号通过生成的信道模型进行卷积，随后根据设定的Eb/N0计算并叠加加性高斯白噪声（AWGN）。

1. 接收端处理：

路径选择：Rake接收机首先识别出信道冲激响应中能量最大的前 L 个路径分支。 解调合并：在每个比特的信号段内，针对每个选定的径分支进行时间偏移对齐，通过匹配滤波器（互相关运算）提取支路分量，最后按照最大比合并（MRC）权重进行矢量相加。 判决：对合并后的判决统计量进行硬判决，恢复出原始比特。

1. 统计统计与绘图：计算接收比特与发送比特的差异，得出各信噪比点下的误码率，并绘制性能分析图表。

算法与关键技术分析

修正的S-V模型算法：该模型通过双重泊松过程模拟多径射线的到达。算法逻辑中包含两个循环：外层循环生成簇延迟，内层循环生成簇内射线延迟。每条射线的幅度服从指数衰减，并通过对数正态分布叠加阴影衰落，真实反映了室内多径环境的统计特性。

Rake接收与MRC合并：算法核心在于利用UWB信号的高分辨率特性。由于不同路径在时间上是可以分辨的，接收机利用本地脉冲与接收信号在不同延迟点上进行相关运算。MRC技术通过赋予强径更高的权重，最大限度地提高了接收端的信噪比。

匹配滤波：在Rake的分支处理中，采用本地生成的理想高斯脉冲与接收到的带有噪声和畸变的信号做滑动互相关，这是实现信噪比最大化的最优检测方式。

使用方法

1. 打开MATLAB软件，并将当前工作目录切换至本项目代码所在路径。

1. 设置仿真参数：

修改变量 cm_type 以切换不同的信道场景（1为视距，2-4为不同程序的非视距）。 修改 num_fingers 以测试不同Rake分支数量对性能的提升效果。 根据需要调整 eb_no_db 范围以获得更完整的性能曲线。

1. 运行脚本：直接运行脚本程序，系统将自动开始循环仿真。

1. 查看结果：仿真结束后，MATLAB将自动弹出三个窗口，分别显示信道响应、误码率曲线以及分支能量分布，用户可根据图形数据进行科学分析。

系统要求

环境要求：MATLAB R2016b 或更高版本。

工具箱需求：主要使用标准矩阵运算和信号处理逻辑，MATLAB基础版即可运行，无需特殊工具箱。

硬件建议：由于包含卷积运算和多次蒙特卡罗循环，建议配备4GB以上内存以确保仿真效率。